3D打印超材料弹簧复合泡沫结构为汽车缓冲领域开辟新时代

导读：振动减震是3D打印行业中一个新兴领域。优化的结构能够让从卡车到网球拍的各种产品更加舒适。3D打印座椅终于开始受到关注，汽车和自行车行业的公司都在探索这方面的可能性。数字化和可编程泡沫结构正在引起关注，而超性能材料则为商业化开发提供了丰富的机会，可变密度缓冲技术无疑是其中的亮点。

相关研究进展题为“用于隔振的复合泡沫超材料弹簧的增材制造/Additive Manufacturing of Composite Foam Metamaterial Springs forVibration Isolation”的论文被发表《Advanced 》期刊中，由Ali Zolfagharian，Peter Picken等人联合撰写，研究人员来自迪肯大学、诺丁汉特伦特大学和皇家墨尔本理工学院。

相关论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adem.202300356

这项研究在工程优化座椅方面创建了一个新的理念。他们利用低成本材料挤出 3D 打印机制作了超材料弹簧，通过“高静态和低动态刚度”实现卓越的隔振效果。将这些准零刚度(QZS) 超材料嵌入常规聚氨酯泡沫座椅中，在测试过程中获得了良好的性能。

但真正引人注目的是设计的简单性和经济性。该团队没有使用复杂的机器，而是通过使用廉价组件优化结构来实现这一目标。虽然不一定比传统弹簧便宜，但结果应该优于传统弹簧。以相对较低的成本自由设计这些新形状可以为 3D 打印带来巨大的收益。考虑拉胀结构或零泊松比 (ZPR)结构的独特性质。通常，当你拉伸橡皮筋时，它的中间会变薄。相反，拉胀材料或结构则表现相反，拉伸时变厚，压缩时变薄。这些拉胀剂还以其出色的减振性能而闻名——在头盔等产品中具有巨大的应用价值。

在他们的实验中，研究小组控制弹簧的弯曲行为以提高测试性能。他们设计了可插入常规泡沫座椅的圆柱形弹簧，3D 打印组件的受控“负刚度”弯曲行为提高了性能，同时仍然吸收能量。研究团队对常见的 TPU 长丝（例如 eSun、Ninjatek和 Recreus 的长丝）进行了测试对比，同时对各种弹簧设计和材料进行了选择测试。结果发现，不同材料的性能存在显著差异。例如，Hobby King 的 UTS 是其他公司的四倍。该团队使用 100% 填充材料、0.4m 喷嘴、层高 0.2mm 进行打印，并对细丝进行干燥。综合对比后，eSun 材料的可打印性和价格得到了认可，他们选择将其用于项目中。

一种特殊设计与泡沫搭配使用时具有最佳性能。不同的泡沫和弹簧组合在不同的测试周期中给出了不同的结果，一些组合在极端情况下表现更好，而另一些组合在中等负载情况下表现更好。调整弹簧的性能具有挑战性，特别是因为在某些情况下某些范围内存在不稳定。在某些情况下，中等水平会带来良好的性能，而高端影响则被认为不太不舒服。

总的来说，3D 打印弹簧与普通泡沫结构的组合优于单独的泡沫结构。他们确实发现弹簧可以并且应该针对特定条件进行优化。这可能意味着，为特定的使用情况设计出最佳弹簧方案的人可能会获得很大的价值。这还可能意味着，存在大规模定制或特定用途定制设计的真实场景。他们的研究还表明，不同的性能意味着特别是在大型车辆（如卡车和公共汽车）中出现的强烈振动可能会通过这些弹簧得到特别调节。在这种情况下，3D打印解决方案可能会在中档和高档方案中表现得更好。总的来说，这是一个有前途的想法，而且制造成本似乎非常低廉。